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図面 (14)

課題・解決手段

本発明は、フルクトース及び/又はグルコース及び/又はマンノース脱水による5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法に関する。

概要

背景

さまざまな産業に必要である多くの化合物は、長い間、石油化学産業から得られる。しかしながら、原油の価格の上昇及び石油化学と再生可能資源との交換の一般的な意識のため、再生可能資源に基づいて化合物を製造する要請がいまだにある。

5‐ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)は、糖類の脱水由来して再生可能バイオマス資源から誘導できるので、そのような化合物の例である。HMFは、例えば、銅‐ルテニウム(CuRu)触媒を通してC‐O結合水素化分解により、2,5‐ジメチルフランに変換でき(Roman‐Leshkov Y et al.,Nature,2007,447(7147),982‐U5)、そしてそれは、液体バイオ燃料であり、又は酸化により2,5‐フランジカルボン酸になる(Boisen A et al.,Chemical Engineering Research and Design,2009,87(9),1318‐1327)。後者の化合物、2,5‐フランジカルボン酸は、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリブチレンテレフタレート(PBT)などのポリエステルの製造におけるテレフタル酸代替品として使用できる。

米国特許出願公開第2008/0033188号では、反応性水相及び有機溶媒抽出相を含む二相性反応槽を使用して、糖類をフラン誘導体、例えば5‐ヒドロキシメチルフルフラールに変換するための触媒による処理工程(process)を開示する。

Roman‐Leshkov Y and Dumesic JA,2009,Top Catal,52;297−303では、米国特許出願公開第2008/0033188号と同様の主題を開示する。

米国特許出願公開第2009/0030215号では、フルクトース水溶液、並びに水性及び有機相エマルションを形成するための水非混和性有機溶媒を有する無機酸触媒を混合または攪拌することで、HMFを製造するための方法を開示する。

米国特許第7,317,116号では、フラン誘導体に炭水化物を変換する脱水反応のために工業的に便利なフルクトース源を利用する方法を開示する。

Huang R et al.,2010,Chem.Comm.,46,1115‐1117では、グルコースを5‐ヒドロキシメチルフルフラールに変換するための酵素及び酸触媒作用統合を開示する。

高フルクトースコーンシロップ工業的製造では、グルコースが、しばしばキシロースイソメラーゼ酵素(E.C.5.3.1.5)により触媒される処理工程によりフルクトースに変換され、そしてそれは、これらの理由により、通常「グルコースイソメラーゼ」と呼ばれる。

グルコースは、可逆反応で、フルクトースに異性化できる。工業的条件下、平衡は、ほぼ50%フルクトースである。過剰な反応時間を避けるために、変換は、普通、約45%フルクトースの収率で停止される。

グルコースイソメラーゼは、固定化形態で工業的に使用される比較的少数の酵素の一つである。固定化のための一つの理由は、酵素を不活性化する有機酸及びカルボニル化合物へのフルクトースの分解を防止するために、反応時間を最小にすることである。

GIカラムに対する基質は、ベッド目詰まり及び酵素の不安定化を避けるために高度に精製される。推奨伝導率は、<50μS/cmである。

最も一般的に使用されるグルコースイソメラーゼの説明を、以下の表1で提供する。説明は、文献及び製品からの情報に基づいており、及び正確な使用方法の説明でなければならない必要はない。

フルクトース製造の他の方法は、グルコース及びフルクトースを50:50の比率で含む組成物を得るための、スクロース加水分解である。

フルクトース製造の更なる方法は、フルクトースへの、マンノースイソメラーゼでのマンノースの触媒変換である。

概要

本発明は、フルクトース及び/又はグルコース及び/又はマンノースの脱水による5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法に関する。

目的

固定化のための一つの理由は、酵素を不活性化する有機酸及びカルボニル化合物へのフルクトースの分解を防止するために、反応時間を最小にすることである

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法であって、i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、前記水相は塩を含み、1.0‐10の範囲のpHを有する、を含む、方法。

請求項2

5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法であって、i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、前記水相は塩を含み、前記反応媒体は酸性触媒を含まず、又は強酸を含まない、を含む、方法。

請求項3

ii)ステップi)における前記反応槽から5‐ヒドロキシメチルフルフラールを除去すること、を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。

請求項4

フルクトースを含む前記組成物が、グルコース又はマンノースも含む、請求項1‐3のいずれか一項に記載の方法。

請求項5

−i)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、をステップi)の前に更に含む、請求項4に記載の方法。

請求項6

iii)ステップi)における前記反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及びiv)ステップiii)で得た前記グルコース及びマンノースを、グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:a)5‐ヒロドキシメチルフルフラール、b)フルクトースへ変換すること、を更に含む、請求項4又は5に記載の方法。

請求項7

5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法であって、以下:x)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、y)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、前記水相は塩を含む、を含む、方法。

請求項8

I)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、II)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、ステップI)で得た前記組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、前記水相は塩を含む、を含む、請求項7に記載の方法。

請求項9

A)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトース及びグルコース、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、前記水相は塩を含み、B)ステップA)における前記反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及びC)ステップB)で得た前記グルコース又はマンノースを、グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:a)5‐ヒドロキシメチルフルフラール、又はb)フルクトースへ変換すること、を含む、請求項8に記載の方法。

請求項10

ステップII)及びA)における前記反応媒体の前記水相が、1.0‐10の範囲のpHを有する、請求項7又は8に記載の方法。

請求項11

前記ステップの1又は2以上が連続的に行われる、請求項1‐10のいずれか一項に記載の方法。

請求項12

前記反応媒体の前記水相中の塩濃度が、1‐20w/w%の範囲である、請求項1‐11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

5‐ヒドロキシメチルフルフラールに関して、前記反応媒体の前記水相及び前記有機相の分配係数が、少なくとも1.0である、請求項1‐12のいずれか一項に記載の方法。

請求項14

請求項1‐13のいずれか一項に記載の方法に従って得たHMFを、2,5‐フランジカルボン酸FDA)、2,5‐ジメチルフラン、2,5‐ジメチルテトラヒドロフランギ酸レブリン酸、2,5‐ビスヒドロキシメチルフラン2‐メチルフラン2‐ヒドロキシメチルフランに変換することを含む方法。

請求項15

ポリマービルディングブロック可塑剤バイオディーゼルへの水素化、更にフランジアミンフランジオール水素化産物への反応のための、請求項14に記載の方法に従って得た2,5‐フランジカルボン酸の使用。

技術分野

0001

本発明は、5‐ヒドロキシメチルフルフラールの製造方法に関する。

背景技術

0002

さまざまな産業に必要である多くの化合物は、長い間、石油化学産業から得られる。しかしながら、原油の価格の上昇及び石油化学と再生可能資源との交換の一般的な意識のため、再生可能資源に基づいて化合物を製造する要請がいまだにある。

0003

5‐ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)は、糖類の脱水由来して再生可能バイオマス資源から誘導できるので、そのような化合物の例である。HMFは、例えば、銅‐ルテニウム(CuRu)触媒を通してC‐O結合水素化分解により、2,5‐ジメチルフランに変換でき(Roman‐Leshkov Y et al.,Nature,2007,447(7147),982‐U5)、そしてそれは、液体バイオ燃料であり、又は酸化により2,5‐フランジカルボン酸になる(Boisen A et al.,Chemical Engineering Research and Design,2009,87(9),1318‐1327)。後者の化合物、2,5‐フランジカルボン酸は、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリブチレンテレフタレート(PBT)などのポリエステルの製造におけるテレフタル酸代替品として使用できる。

0004

米国特許出願公開第2008/0033188号では、反応性水相及び有機溶媒抽出相を含む二相性反応槽を使用して、糖類をフラン誘導体、例えば5‐ヒドロキシメチルフルフラールに変換するための触媒による処理工程(process)を開示する。

0005

Roman‐Leshkov Y and Dumesic JA,2009,Top Catal,52;297−303では、米国特許出願公開第2008/0033188号と同様の主題を開示する。

0006

米国特許出願公開第2009/0030215号では、フルクトース水溶液、並びに水性及び有機相エマルションを形成するための水非混和性有機溶媒を有する無機酸触媒を混合または攪拌することで、HMFを製造するための方法を開示する。

0007

米国特許第7,317,116号では、フラン誘導体に炭水化物を変換する脱水反応のために工業的に便利なフルクトース源を利用する方法を開示する。

0008

Huang R et al.,2010,Chem.Comm.,46,1115‐1117では、グルコースを5‐ヒドロキシメチルフルフラールに変換するための酵素及び酸触媒作用統合を開示する。

0009

高フルクトースコーンシロップ工業的製造では、グルコースが、しばしばキシロースイソメラーゼ酵素(E.C.5.3.1.5)により触媒される処理工程によりフルクトースに変換され、そしてそれは、これらの理由により、通常「グルコースイソメラーゼ」と呼ばれる。

0010

グルコースは、可逆反応で、フルクトースに異性化できる。工業的条件下、平衡は、ほぼ50%フルクトースである。過剰な反応時間を避けるために、変換は、普通、約45%フルクトースの収率で停止される。

0011

グルコースイソメラーゼは、固定化形態で工業的に使用される比較的少数の酵素の一つである。固定化のための一つの理由は、酵素を不活性化する有機酸及びカルボニル化合物へのフルクトースの分解を防止するために、反応時間を最小にすることである。

0012

GIカラムに対する基質は、ベッド目詰まり及び酵素の不安定化を避けるために高度に精製される。推奨伝導率は、<50μS/cmである。

0013

最も一般的に使用されるグルコースイソメラーゼの説明を、以下の表1で提供する。説明は、文献及び製品からの情報に基づいており、及び正確な使用方法の説明でなければならない必要はない。

0014

0015

フルクトース製造の他の方法は、グルコース及びフルクトースを50:50の比率で含む組成物を得るための、スクロース加水分解である。

0016

フルクトース製造の更なる方法は、フルクトースへの、マンノースイソメラーゼでのマンノースの触媒変換である。

0017

本発明は、以下のステップ
i)反応媒体(reaction medium)を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有する、
を含む、5‐ヒドロキシメチルフルフラールを製造するための第一方法を提供する。

0018

ステップi)の一つの実施態様では、あるいは以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び反応媒体は酸性触媒を含まず、又は強酸を含まない、
でもよい。

0019

本発明は、また以下のステップ:
x)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、
y)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含む、
を含む、5‐ヒドロキシメチルフルフラールを製造するための第二方法を提供する。ステップx)及びy)は、任意の順序で行ってもよい。

0020

本発明の第二方法の一つの実施態様では、以下のステップ:
i)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、
ii)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、ステップi)で得た組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含む、
を含む。

0021

本発明の第二方法の他の実施態様では、以下のステップ:
A)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトース及びグルコースを含む組成物、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、
B)ステップA)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及び
C)ステップB)で得たグルコース又はマンノースを、グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒドロキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を含む。

0022

更に、本発明はまた、本発明の方法により得た5‐ヒドロキシメチルフルフラールの使用に関する。

図面の簡単な説明

0023

図1は、関連ステップのいくつかが示されている本発明の略図を示す。GIは、固定化グルコースイソメラーゼ反応槽を示し、G及びFは、グルコース及びフルクトースをそれぞれ示す。
図2は、反応媒体の水相における塩の選択の影響を示し、糖類の変換、HMFの収率、及びHMFの選択性を、すべてパーセンテージとして示す。
図3は、45w/w%グルコースシロップを含む標準基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図4は、高濃度NaClを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図5は、高濃度MgCl2,6H2Oを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図6は、高濃度KClを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図7は、高濃度Na2SO4,10H2Oを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図8は、高濃度MgSO4を含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数として固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。本図は、実施例12で得たデータの一部の説明である。
図9は、標準45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数としてグルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))によるグルコースのフルクトースへの変換を示す。本図は、実施例13で得たデータの一部の説明である。
図10は、0.01%HMFを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数としてグルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))によるグルコースのフルクトースへの変換を示す。本図は、実施例13で得たデータの一部の説明である。
図11は、0.1%HMFを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数としてグルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))によるグルコースのフルクトースへの変換を示す。本図は、実施例13で得たデータの一部の説明である。
図12は、1%HMFを含む修飾45w/w%グルコースシロップ基質で、時間の関数としてグルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))によるグルコースのフルクトースへの変換を示す。本図は、実施例13で得たデータの一部の説明である。
図13は、HMF濃度の関数としてグルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の活性を示す。
図14は、実施例20及び21で使用したHMFに変換するためのグルコース及びフルクトースの連続脱水用の実験室規模ミニプラント仕組みを示す。

0024

定義及び略語
用語「5‐ヒドロキシメチルフルフラール」、「ヒドロキシメチルフルフラール」及び「HMF」は、本発明の文脈において互換的に使用されてもよい。HMFのIUPAC用語は、5‐(ヒドロキシメチル)‐2‐フルアルデヒドであり、及び本文脈においてまた使用されてもよい。

0025

用語「酵素反応」は、本発明の文脈において、酵素により触媒される化学反応を指し、ここで、「化学反応」は、1又は2以上の化学物質を1又は2以上の他の化学物質に変換するための処理工程として本用語の一般的な意味解釈を指す。

0026

用語「グルコースイソメラーゼ」は、本発明の文脈において、D‐キシルロースへのD‐キシロースの変換を触媒することができるE.C.5.3.1.5の酵素を指す。そのような酵素は、グルコースをフルクトースに変換するための高コーンシロップ工業で一般的に使用される。本発明の文脈において、グルコースイソメラーゼは、「GI」と略されてもよく、そしてそれは、例えばそれが固定化されているかいないかにかかわらず、任意のグルコースイソメラーゼを包含することを意図する。現在入手可能なグルコースイソメラーゼは、一般的に固定化されているので、用語「IGI」は、本発明の文脈において、「固定化グルコースイソメラーゼ」を意味することを意図して、また使用されてもよい。

0027

用語「マンノースイソメラーゼ」は、本発明の文脈において、D‐フルクトースへのD‐マンノースの変換を触媒することができるE.C.5.3.1.7の酵素を指す。

0028

用語「サッカライド」は、本発明の文脈において、一般式Cm(H2O)nを有する有機化合物としてその周知の意味を指し、また炭水化物として知られる。従って、用語「サッカライド」は、モノサッカライドジサッカライドオリゴサッカライド及びポリサッカライドを含む。

0029

用語「HFCS」は、本発明の文脈において、高フルクトースコーンシロップを指す。

0030

本発明の詳細な説明
本発明の方法
本発明は、フルクトース及び/又はグルコースの脱水、又は代替的にフルクトース及び/又はマンノースの脱水により5‐ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を製造するための方法に関する。以下の場合において、わずかに異なる方法を、記載するが、それは、フルクトース及び/又はグルコース、又は代替的にフルクトース及び/又はマンノースからHMFを製造するための同一の一般的な概念にすべて関する。これらの方法は、本方法のそれぞれのステップを含んでもよいすべての方法の異なるステップとして、また認識されてもよい。

0031

本方法は、以下に個別に記載されているが、それぞれの方法のステップは、任意の他の方法由来のステップと組み合わせてもよく、並びに一つの方法に関して与えられる実施態様及び実施例は、任意の他の方法においてまた使用されてもよい。

0032

本発明の第一方法
ステップi)
本発明の第一態様は、以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有する、
を含む、5‐ヒドロキシメチルフルフラールを製造するための方法に関する。

0033

ステップi)は、フルクトースから5‐ヒロドキシメチルフルフラールへの脱水をもたらす。本発明の発明者等は、塩単独で、フルクトースからHMFへのこの脱水を触媒できることを驚くべきことに見出した。そのため、フルクトースからHMFへの脱水を触媒するためにこれまで使用してきた酸性触媒を、反応媒体の水相に添加することを必要としない。従って、ステップi)の具体的な実施態様において、反応媒体は、酸性触媒、又は強酸を含まない。

0034

これは、製造方法において強酸の取り扱いを避ける利点をもちろん有する。他の利点を、以下、例えばステップiii)及びiv)に関して記載する。従って、上述したステップi)の他の実施態様において、場合により以下:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び反応媒体が酸性触媒、又は強酸を含まない、
でもよい。

0035

本発明の文脈において、「酸性触媒を含まない(does not contain an acidic catalyst)」は、酸性触媒を反応媒体に添加しないことを意味する。「酸性触媒」は、特に、pKa値が5未満、例えば、pKa値が4未満、又はpKa値が3未満、又はpKa値が2未満を有する酸、又はpKa値が1‐5の間、例えば1‐4の間、又は1‐3の間、又は1‐2の間、又は1‐1.5の間、又は2‐4の間、例えば2‐3の間、又は2.5‐3.5の間、又は1.5‐4の間、例えば1.5‐3の間、1.5‐2.5の間、又は3‐5の間、例えば3.5‐4.5の間、又は3‐4の間、又は4‐5の間を有する酸でもよい。「酸性触媒」は、特に、「強酸」でもよく、ここで強酸は、1未満のpKa値を有する酸である。用語「強酸を含まない(does not comprise a strong acid)」は、1未満のpKa値を有する酸を、反応媒体に添加しないことを意味し、すなわち「強酸」は、本発明の文脈において、1未満のpKa値(pKa(強酸)<1)を有する酸として理解されるべきである。脱水処理工程の副産物として形成されてもよい酸性化合物の存在を排除しない。そのような酸性触媒の例は、これらに限定されないが、無機酸、例えばHCl、HNO3、H2SO4、H3PO4、スルホン酸スルホン酸樹脂ゼオライト、酸官能モービル組成物材料(acid‐functionalized Mobil composition material)(MCM’s)、硫酸化ジルコニアヘテロポリ酸、NbOPO4、リン酸バナジウムなどのリン酸塩固体シリカ‐及びシリカアルミナブレンステッド又はルイス酸触媒が挙げられる。

0036

反応媒体の水相中のフルクトースの溶解度は、反応媒体の有機相中よりもはるかに高くなるので、フルクトースの濃度は、一般的に反応媒体の有機相中よりも水相中ではるかに高くなる。フルクトースの5‐ヒドロキシメチルフルフラールへの脱水は、主に水相で起こる。HMFの一部が、有機相中に拡散してもよい。有機相及び水相の間のHMFの境界は、分配係数、Rにより記載されてもよく、ここでR=(有機相中のHMFの濃度)/(水相中のHMFの濃度)である。有機溶媒アイデンティティ及び水相中の塩濃度が、R値に影響を及ぼす。しかしながら、本発明に照らして、Rは、典型的に少なくとも0.8(R≧0.8)であってもよく、例えば、少なくとも0.9(R≧0.9)、又は少なくとも1(R≧1)、又は少なくとも1.1(R≧1.1)、又は少なくとも1.2(R≧1.2)、又は少なくとも1.3(R≧1.3)、又は少なくとも1.4(R≧1.4)、特にRは、少なくとも1.5(R≧1.5)でもよく、又はRは、少なくとも2(R≧2)でもよい。

0037

一旦フルクトースが、HMFに脱水されると、HMFは、再水和を受けることができ、それによってレブリン酸及び/又はギ酸を生成する。水相から有機相へのHMFの拡散は、再水和からHMFを保護するために有用である。

0038

水相中の塩の存在は、水相中でのHMFの溶解度を減少するためにまた更に有用であり、それによって水相中のHMF対有機相中のHMFの間の平衡は、有機相中のHMFに向かって変化する。他の利点は、有機相へのHMFの拡散が、再水和からHMFを保護することであり、従って塩の存在は、再水和からHMFの保護をまたもたらす。

0039

反応が行われる期間、温度、及び圧力などのステップi)の物理的なパラメータは、それぞれ、HMFの収率及び選択性に影響を及ぼす。しかしながら、これらのパラメータはまた、お互いに影響を及ぼす。従って、例えば高温では、HMFの同じ収率が、低温よりも、より短期間で得られるかもしれない。従って、以下で与えられる反応時間、温度及び圧力に関連のある例は、他の例を排除せず、及びそれらは、例えば、他の反応パラメータのいくつかに依拠して組み合わされてもよい。

0040

例えば上述したステップi)は、1秒‐20時間の間、例えば、1秒‐15時間、又は1秒‐10時間、又は15秒‐20時間、又は15秒‐15時間、又は15秒‐10時間、又は30秒‐20時間、又は30秒‐15時間、又は30秒‐10時間、又は45秒‐20時間、又は45秒‐15時間、又は45秒‐10時間、又は1分‐20時間、又は1分‐15時間、又は1分‐15時間、又は1分‐10時間、又は1分‐8時間、又は1分‐6時間、又は30分‐8時間、又は30分‐6時間、又は30分‐5時間、又は45分‐4.5時間、例えば40分‐80分、例えば1時間、又は1‐2時間の間、例えば1.5時間、又は100分‐140分の間、例えば2時間、又は130分‐170分の間、例えば2.5時間、160分‐分、例えば3時間、又は190分‐230分の間、例えば3.5時間、又は220分‐260分の間、例えば4時間、又は1.5時間‐4.5時間の間などで行われてもよい。

0041

更に、ステップi)は、70‐300℃の温度の範囲、例えば70‐280℃の間、又は70‐260℃の間、又は70‐250℃の間、又は80‐280℃の間、又は80‐260℃の間、又は80‐250℃の間、又は90‐280℃の間、又は90‐260℃の間、又は90‐250℃の間、又は140‐220℃の間、又は140‐210℃の間、又は150‐220℃の間、又は150‐210℃の間、又は160‐220℃の間、又は160‐210℃の間、又は170‐220℃の間、又は170‐210℃の間、又は180‐220℃の間、又は180‐210℃の間、又は180‐200℃の間、又は110‐190℃の間、又は110‐180℃の間、又は110‐170℃の間、又は110‐160℃の間、又は120‐190℃の間、又は120‐180℃の間、又は120‐170℃の間、又は120‐160℃の間、又は125‐190℃の間、又は125‐180℃の間、又は125‐170℃の間、又は125‐160℃の間、又は130‐190℃の間、又は130‐180℃の間、又は130‐170℃の間、又は130‐160℃の間、又は130‐150℃の間、例えば135‐145℃の間、又は140‐160℃の間、例えば145‐155℃の間、又は150‐170℃の間、例えば155‐165℃の間などで実行されてもよい。従って、温度は、1つの実施態様では、約150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、又は200℃でもよい。

0042

本発明の発明者等は、温度が上昇する場合、HMF収率及びHMF選択性が増加し、及び高温で、高いHMF収率及びHMF選択性が維持されることをまた示す(実施例20及び21)。典型的に、ステップi)は、1‐200atmの間の圧力範囲で行われてもよい。

0043

一つの実施態様では、ステップi)は、連続処理工程として行われてもよい。本発明の文脈において、用語「連続処理工程(Continuous process)」は、任意の定義された期間の中で行われない処理工程を指す。そのような処理工程の産物は、一般的にまた処理工程から連続的に除去される。連続処理工程と対照的にバッチ処理工程は、産物が処理工程から除去された後、指定した期間中に一般的に行われる。従って、平均滞留時間で連続処理工程を特徴づけることがより妥当である。本発明の文脈において、平均滞留時間は、特に1秒‐2時間の範囲で、例えば、30秒‐1時間の範囲で、又は45秒‐1時間の範囲で、又は45秒‐45分の範囲で、又は45秒‐30分の範囲で、又は1‐30分の範囲で、又は1‐25分の範囲で、又は1‐20分の範囲で、又は0.5‐2時間の範囲であってもよい。滞留時間は、1.5‐2.25分の範囲で、例えば、1.875分、又は3‐5分の範囲で、例えば、3.75分、又は6‐9分の範囲で、例えば、7‐8分の範囲で、例えば、7.5分、又は13‐17分の範囲で、例えば、14‐16分の範囲で、例えば、15分であってもよい。一般的に、より短い滞留時間が、より良い。

0044

ステップi)の処理工程は、反応槽中で行う。本発明の文脈において、用語「反応槽(reactor)」は、HMFへのフルクトース及び/又はグルコース及び/又はマンノースの脱水を行うために適当な任意の種類の容器を、原則的に指す。適当な容器の例は、当業者に周知であり、並びにこれらに限定されないが、工業生産に適したもの及び実験室規模処理工程に適したものの両方を含む。ステップi)で使用されるフルクトースを含む組成物は、フルクトースを含む任意の組成物でよい。

0045

フルクトースは、工業規模においては、しばしば、フルクトースへのグルコースの変換の化学平衡が、典型的に約45w/w%フルクトース及び55w/w%グルコースを含む組成物となるため、この変換により製造される。

0046

フルクトースを製造するための他の方法は、マンノースイソメラーゼにより酵素触媒作用により特に行われてもよい、フルクトースへのマンノースの変換である。この処理工程から生じる組成物は、その後、本発明のステップi)中で使用されてもよい。マンノースの工業的原料は、例えば、パーム核粕(palm kernel cake)でもよい。

0047

フルクトース及びグルコースを含む組成物を得るための他の方法は、スクロースの加水分解であり、そしてそれは、また転化糖と呼ばれるフルクトース及びグルコース50:50の比率の混合物を生じる。フルクトース及びグルコースへのスクロースの加水分解は、例えば、インベルターゼ(E.C.3.2.1.26)により触媒されてもよい。フルクトース及びグルコースのこの組み合わせは、その後、本方法のステップi)で使用されてもよい。フルクトース及びグルコースの両方を含むこれらの組成物は、ステップi)におけるフルクトースを含む組成物として使用されてもよい。HFCS又は転化糖などの、大量のフルクトース、例えば、少なくとも40%w/wフルクトースを含む一般的な組成物は、グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応、すなわちステップ−i)を組成物に最初に行うことなしに、本発明の処理工程のステップi)に直接的に使用されてもよい。原則的に、フルクトースのより低い量を有する組成物が、また使用されてもよいが、しかしながら、経済的であるべきである処理工程のために、フルクトースの量が、少なくとも40%w/wであることが有利である。これらの組成物は、約55w/w%‐95w/w%のフルクトース及び約45w/w%又は未満のグルコースを含む組成物を得るためにフルクトースについて、更に精製してもよい。従って、ステップi)の一つの実施態様では、フルクトースを含む組成物は、更にグルコース又はマンノースを含んでもよい。

0048

ステップ−i)及び−ii)
仮に、フルクトース及びグルコースを含む組成物、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物が、ステップi)で使用されるなら、本発明の第一方法は、グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応を、グルコースを含む組成物に行う、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応を、マンノースを含む組成物に行うステップ−i)などの、ステップi)に先立つ更なるステップを特別に含んでもよい。そのような酵素触媒反応の方法の例は、これらに限定されないが、Bholand SH et al.,Microbiological Reviews,1996,60(2),280‐300及びPedersen S,Bioprocess Technology,1993,16,185‐208中に記載されるものを含む。ステップ−i)は、2つのステップにおける出発材料相違することを除き、以下に記載するように、ステップiv)b)と同様に行ってもよい。

0049

他の実施態様では、ステップi)は、スクロースの加水分解の他のステップ−ii)により先行されてもよい。従って、本発明の第一方法は、ステップ−i)及びi)又は−ii)及びi)を含む5‐ヒドロキシメチルフルフラールを製造するための方法に関してもよい。

0050

ステップ−i)に関して、ステップiv)に関して以下で記載される実施態様及び例が、またステップ−i)で使用されてもよい。

0051

ステップii)
一つの実施態様では、本発明の第一方法は、ステップi)における反応槽から5‐ヒドロキシメチルフルフラールを除去するii)のステップを更に含んでもよい。

0052

ステップi)における反応槽から5‐ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を除去する利点は、HMFが、レブリン酸及びギ酸に変化する再水和から保護されることである。

0053

ステップii)は、特に連続処理工程としてまた実行されてもよい。連続処理工程として処理工程を行う利点は、ステップi)において、HMFの連続的な生成を行うことが可能であるステップi)における反応槽から、HMFを連続的に除去することである。仮に本方法が、連続的に行われるなら、フルクトースを含む組成物は、ステップi)の前に、処理工程中に連続的にまた供給されてもよい。本方法を連続的に行うことは、HMFの工業生産のために、特に関係するかもしれない。

0054

仮に本発明の方法が、いわゆるバッチ処理工程として行われるなら、つまり本発明の処理工程が停止する特定の期間の後、HMFが、反応槽から反応媒体の有機相を除去することにより反応槽から単純に除去されてもよい。

0055

連続処理工程のために、HMFは、ステップi)における反応媒体の有機相がリサイクルされる処理工程内ループを含むことにより反応槽から除去されてもよい。このリサイクルステップは、特に有機相からHMFの除去ステップを含んでもよい。従って、実際には、リサイクルループは、ステップi)における反応媒体から有機相部分を連続的に除去すること、反応槽から除去された有機相からHMFを連続的に除去すること、及びその後、ステップi)における反応槽内に有機相の残りの部分を連続的にリサイクルすることを含む。

0056

有機相からHMFを除去するための方法は、有機媒体からHMFを除去する公知方法を含み、及び例えば、逆抽出溶媒エバポレーション薄膜式エバポレーション、拭き取り膜式(wiped film)エバポレーション、クロマトグラフィー蒸留、不活性吸着剤に対する吸着向流抽出又は当業者に公知である産物回収の任意の他の方法により行われてもよい。

0057

ステップiii)及びiv)
仮にステップi)の組成物が、フルクトース及びグルコース、又はフルクトース及びマンノースを含むなら、その後グルコース及びマンノースは、HMF又はフルクトースのいずれかに特別に変換されてもよい。グルコース又はマンノースが、例えば実施例3及び4で記載されているように、反応槽中で直接HMFに変換されてもよいが、グルコース又はマンノースは、具体的な実施態様では、HMF又はフルクトースにそれが変換される前に、反応槽から除去されてもよい。従って、この実施態様では、本発明の処理工程は、以下のステップ:
iii)ステップi)における反応槽からグルコース及びマンノースを除去すること、及び
iv)ステップiii)で得たグルコース及びマンノースをグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒロドキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を更に含んでもよい。

0058

ステップiii)及びiv)は、ステップi)、ステップ−i)及びi)、ステップ−ii)及びi)と組み合せて、又はステップi)及びii)、ステップ−i)及びi)、ステップ−i)、i)及びii)、ステップ−ii)及びi)、又はステップ−ii)、i)及びii)と組み合わせて行ってもよい。

0059

任意のステップi),ii)、iii)、及びiv)又はそれらの任意の組み合せは、アルゴン又は窒素雰囲気などの不活性雰囲気で行われてもよい。不活性雰囲気の利点は、一般的に、酸化を低減し、及びそれにより余計な所望しない副産物の製造を回避することである。

0060

仮にステップi)及び/又は全処理工程が、非連続であれば、ステップi)で使用されるフルクトースは、ステップi)でHMFに変換され、及びステップi)で反応媒体の有機相内に抽出される。これと対照的に、フルクトース及びグルコース、又はフルクトース及びマンノースをそれぞれ含む組成物中に存在するグルコース及びマンノースの大部分は、反応媒体の水相において未反応で残る。従って、仮にステップi)及び/又は全処理工程が、非連続ならば、ステップiii)、すなわちステップi)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去することは、単純に、反応槽の水相を除去することにより行われてもよい。

0061

仮に、ステップi)及び/又は全処理工程が、連続処理工程であれば、ステップiii)は、反応槽から水相部分を連続的に除去することにより、一般的に行われる。そのような方法は、当業者に周知である。

0062

ステップiii)で得たグルコース及びマンノースを5‐ヒドロキシメチルフルフラールに変換するステップiv)a)は、フルクトースをHMFに変換するための方法と類似していてもよく、例えば、それは、グルコース又はマンノースに、反応媒体を含む反応槽中での処理工程を受けることにより行われてもよいステップi)と同様でもよく、ここで前記反応媒体が、水相及び有機相を含み、及びここで前記有機相が塩を含む。グルコース又はマンノースをHMFに変換するための処理工程は、それによって、フルクトースをHMFに変換する処理工程と異なる反応槽において行われてもよい。しかしながら、フルクトースをHMFに変換するための最適な条件は、必ずしも、グルコース又はマンノースをHMFに変換するために最適であるものと全く同じでない。従って、以下のような、ステップi)のものと異なってもよいステップiv)a)の条件を記載する。

0063

ステップiv)a)の反応媒体の水相は、1‐9の範囲のpHを、例えば、1‐8の範囲のpHを、又は1‐7の範囲のpHを、又は1‐6の範囲のpHを、1‐5の範囲のpHを、又は1‐4の範囲のpHを、又は1.5‐8の範囲のpHを、又は1.5‐7の範囲のpHを、又は1.5‐6の範囲のpHを、又は1.5‐5の範囲のpHを、又は1.5‐4の範囲のpHを、特別に有してもよい。更に、ステップiv)a)の反応媒体は、具合的な実施態様では、AlCl3などの酸性触媒を含んでもよい。たとえステップiv)a)用のいくつかの反応条件が、ステップi)のものと異なるとしても、ステップi)に関して記載された塩、温度、期間などの選択は、ステップiv)a)に関してまた使用されてもよい。

0064

実施例3及び4は、ステップi)、ii)及びiv)a)、及びステップi)及びiv)a)をそれぞれ含む本発明の方法を行うための一つの方法を記載する。従って、仮に本発明の方法が、ステップi)及びiv)a)を含むなら、さらに一つの実施態様では、ステップi)及びiv)a)の間に冷却ステップをまた含んでもよい。更に、実施例3及び4で示したように、ステップi)における反応媒体の有機相を、ステップiv)a)の反応媒体における新しい有機相と交換することは、これがHMFの収率を増加するので、有利である。本文脈において、用語「新しい(new)」は、ステップi)で使用される反応媒体の有機相の化学組成物が、ステップiv)a)で使用される反応媒体の有機相のものと同じでもよい新鮮な意味を指す。

0065

本発明は、グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によりグルコース又はマンノースをフルクトースに変換する2つの異なるステップ、すなわちステップi)及びiv)b)を記載する。これらの2つのステップは、これらのステップのための出発材料が、異なることを除いて、原則的に同じステップである。ステップi)の前のステップ、ステップ−i)のための出発材料は、一般的に任意の適当な原料から得られたグルコース又はマンノースでよいが、一方で、ステップiv)b)で使用されるグルコース又はマンノースは、本発明の処理工程のステップiii)から得られる、すなわちフルクトースがHMFに変換される反応槽から除去される。従って、ステップiv)b)で使用されるグルコース又はマンノースを含む組成物は、例えば、以下の成分;HMF、反応媒体の有機相由来の有機溶媒、及びステップi)生産されたフミン(humin)、可溶性ポリマー、レブリン酸及びギ酸などの副産物の任意の組み合わせを含んでもよい。本発明の文脈において、用語「フミン」又は「フミン(humins)」は、不溶性又は非可溶性ポリマーを指す。不溶性フミンなどのいくつかの成分は、固定化グルコースイソメラーゼ反応槽をブロックし、又はマンノースイソメラーゼの機能性に影響を与えるかもしれない。従って、具体的な実施態様では、これらの化合物の1又は2以上は、グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにそれを供する前、すなわちステップiv)b)の前に、グルコース又はマンノースを含む組成物から除去してもよい。従って、本方法は、1又は2以上の成分の除去を含むステップiii)及びiv)b)の間のステップをさらに含んでもよい。例えば、本方法は、1つの実施態様では、ステップiii)及びiv)b)の間にフミンを除去するためのステップを含んでもよい。工業用目的のために、非可溶性フミンは、ろ過により典型的に除去されてもよい。本発明で使用される糖類、すなわちグルコース及び/又はフルクトース及び/又はマンノースは、スターチ糖化により得られてもよい。この場合において、可溶性ポリマーは、スターチ糖化のステップにそれらを添加することにより、本発明の処理工程において、リサイクルされてもよい。

0066

ステップIII)における反応槽から回収されたグルコース又はマンノースは、水溶液として回収されてもよく、及び従ってステップiv)でグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにそれを供する前に、一部の水を除去することに関連するかもしれない。これは、例えば、エバポレーションにより行われてもよい。

0067

グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応により、グルコース又はマンノースをフルクトースに変換するステップは、本文脈において、特定の方法に全く限定されない。

0068

担体材料としてイオン交換樹脂上に固定されたGIを有するカラムが、また公知であるが、現在、工業規模上で使用されるグルコースイソメラーゼは、固定化グルコースイソメラーゼ、具体的には、グルタルアルデヒド架橋セル材料に基づくグルコースイソメラーゼ(GI)である。しかしながら、本発明の方法は、固定化グルコースイソメラーゼの使用に限定されない。従って、また非固定化グルコースイソメラーゼが、本発明において使用されてもよいことが予測できる。

0069

本発明において使用されてもよい適当なグルコースイソメラーゼの例は、具体的には、グルタルアルデヒドを有するセル材料の架橋により固定化されてもよい、S.murinus、S.rubigonosus又はS.griseofuseus由来のグルコースイソメラーゼを含む。そのような市販の固定化グルコースイソメラーゼの例は、これらに限定されないが、NovozymeA/SのSweetzyme、又はGenencor InternationalのGensweet、又はGodo ShuseiのAGI‐S‐600を含む。

0070

グルコースをフルクトースに変換するためのグルコースイソメラーゼの使用のための処理工程条件は、例えば、出発材料及び具体的なグルコースイソメラーゼに依拠する。そのような条件は、当業者に周知である。例えば、ホウ酸塩は、フルクトース平衡を促進するために存在してもよい。本発明の発明者等は、高濃度の塩が、固定化グルコースイソメラーゼを安定化することを、驚くべきことに見出した。従って、本発明の発明者等は、伝導率が6‐25mS/cmの範囲である条件下、グルコースイソメラーゼの機能性が、影響を受けないことを見出し、そしてそれは、グルコースイソメラーゼのために一般的に推奨される50μS/cmの伝導率よりも約100倍高い。

0071

ステップi)における反応媒体の水相が、高い塩濃度を含む場合、本発明のステップiii)で得たグルコース又はマンノースを含む組成物は、また高濃度の塩を含む。グルコースイソメラーゼは、塩濃度が、本方法のステップiii)で得たグルコースを含む組成物のものよりも低い条件下、一般的に使用される。従って、ステップiii)で得たグルコースを含む組成物中の高濃度の塩が、本方法のステップiv)b)におけるグルコースイソメラーゼの機能性に影響を及ぼさなかったことを本発明の発明者等が見出したことは、驚きであった。典型的に、グルコースイソメラーゼの使用のための現在の推奨は、伝導率が、<50μS/cmであることであるが、一方で、本発明の発明者等は、グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))の機能性が、実施例12で示したように、6‐25mS/cmと同じくらい高くてもよいことを見出した。更に、NaClを有する高い塩濃度が、グルコースイソメラーゼを更に安定化させることが実際見えた。KCl及びNa2SO4を有する場合、グルコースイソメラーゼ能力は、追加の塩を添加しない通常のグルコース基質と同程度であった。

0072

ステップiv)b)に関して、出発材料は、ステップi)における反応槽から除去したグルコース又はマンノースであり、そしてそれは、一般的に、ステップi)における反応媒体の水相又は水相の一部である。反応媒体の水相は、例えば、フルクトースからHMFの脱水処理工程の副産物としてしばしば形成するかもしれないレブリン酸及びギ酸のため、酸性になるかもしれない。従って、ステップiii)における反応槽から除去されたグルコース又はマンノースを含む組成物は、例えば、pH7未満の酸性であってもよい。グルコースイソメラーゼは、典型的に、6‐9のpH範囲で最適に働き、従って、ステップiii)で得たグルコースを含む組成物のpHが、具体的な実施態様では、ステップiv)b)を行う前に、6‐9のpH範囲に調節されてもよい。仮にステップiii)で得られる組成物が、マンノースを含むなら、これは、同様に関連するであろう。pHを調節するための適当な塩基の例は、これらに限定されないが、Na2CO3及びNaOHを含む。本発明の利点は、本方法のステップi)で酸性触媒の使用を必要としないことを本発明の発明者等が見出したことである。これは、ステップiv)b)でグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにそれを供する前に、本方法のステップiii)で得られたグルコース又はマンノースを含む組成物に塩基を添加する必要を低減する。更に、酸性触媒を回避し、又は触媒として強酸を使用することを回避する他の利点は、ステップi)の反応媒体において、この実施態様では、pHがさらに高いpHに調節される場合に、一般的に、それが、塩濃度の増加をまた生じることである。本発明の発明者等は、グルコースイソメラーゼが、以前に予想されたよりもより高い塩濃度で機能することを見出したが、実施例12で示されたような、25w/w%よりも高いなどの高すぎる塩濃度は、依然として、グルコースイソメラーゼの機能性に悪影響を及ぼすであろう。この場合において、従って、グルコースイソメラーゼにそれを供する前に、反応槽から回収されたグルコースを含む組成物から塩の一部を除去することが必要であろう。従って、酸性触媒を回避し、又は触媒として強酸を使用することを回避することにより、ステップi)の反応媒体において、ステップiv)b)にそれを供する前に、ステップiii)で得たグルコース又はマンノースを含む組成物から、全く塩を除去しなくてよい、又は少なくともより少ない塩を除去する必要がある。

0073

ステップiv)b)から得たフルクトースは、ステップi)に更に供されてもよく、それによって、ステップi)から除去されたグルコース又はマンノースが、ステップiv)b)でフルクトースに変換され、そしてそれが、その後、続いてステップi)でHMFに変換される本方法のループを作り出す。従って、上記処理工程は、具体的な実施態様では、以下の更なるステップ:
v)ステップi)の処理工程にステップiv)b)で得たフルクトースを供すること
を含んでもよい。

0074

本発明の本方法において、ステップiii)、iv)b)及びv)、すなわち、ステップi)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去し、及びその後、続いてステップi)で再導入されるフルクトースにそれを変換すること、を含む利点は、ステップi)において使用される出発材料に基づくHMFの相対的な収率が、仮に例えば、グルコース又はマンノースが、リサイクルされない場合よりも高いことである。更に、ステップiv)b)は、グルコース又はマンノースからHMFへの変換であるステップiv)a)よりも、フミンなどの所望しない副産物のより少ない生成の利点をまた有する。

0075

第一方法の実施態様
従って、本発明による方法は、以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有する、
を含んでもよい。

0076

他の実施態様では、本発明による方法は、以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有し、
ii)ステップi)における反応槽から5‐ヒドロキシメチルフルフラールを除去すること、
を含む。

0077

更に他の実施態様では、本発明による方法は、以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有し、
ii)ステップi)における反応槽から5‐ヒドロキシメチルフルフラールを除去すること、
iii)ステップi)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及び
iv)ステップiii)で得たグルコース又はマンノースをグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒドロキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を含んでもよい。

0078

更に他の実施態様では、本発明による方法は、以下のステップ:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び1.0‐10の範囲のpHを有し、
iii)ステップi)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及び
iv)ステップiii)で得たグルコース又はマンノースをグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒドロキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を含んでもよい。

0079

上記の方法のいずれかでは、ステップi)は、あるいは以下:
i)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、及び反応媒体は酸性触媒を含まず、又は強酸を含まない、
でもよい。

0080

上記の方法のいずれかが、上記のようにステップ−i)又はステップ−ii)を更に含んでもよい。

0081

更に、また上記のように、ステップiv)b)を含むそれらの処理工程は、また更なる実施態様では、上記のステップv)を含んでもよい。本発明の方法は、連続処理工程として、又はバッチ処理工程として、行われてもよい。

0082

本発明の第二方法
HMFを生産するための方法に関する本発明の第二態様は、以下のステップ:
x)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、
y)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含む、
を含む。ステップx)及びy)は、任意の順序で行ってもよい。

0083

1つの実施態様では、本発明の第二方法は、以下のステップ:
I)グルコースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、グルコースを含む組成物を供すること、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応に、マンノースを含む組成物を供すること、
II)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、ステップi)で得られた組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含む、
を含んでもよい。

0084

この処理工程は、1つの実施態様では、さらに以下のステップ:
III)ステップII)における反応槽からグルコース及びマンノースを除去すること、及び
IV)ステップIII)で得たグルコース又はマンノースをグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒドロキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を含んでもよい。

0085

ステップx)は、上記のステップ−i)と類似である。従って、ステップ−i)に関して記載された実施態様は、ステップx)に対して準用してもよい。

0086

ステップy)は、pHステップが、ステップy)で定義されていないことを除いて上記のステップi)と類似である。実施態様、例及びステップi)に関して記載された反応条件は、ステップy)に対して準用してもよい。

0087

ステップI)は、上記のステップ−i)と類似である。従って、ステップ−i)に関して記載された実施態様は、ステップI)に対して準用してもよい。

0088

ステップII)は、pH範囲が、ステップII)において定義されていないことを除いて、上記のステップi)と類似である。具体的な実施態様では、ステップII)における反応媒体の水相のpHは、1.0‐10の範囲でもよい。実施態様、例及びステップi)に関して記載された反応条件は、ステップII)に対して準用してもよい。

0089

ステップIII)は、上記のステップiii)と類似であり、及び実施態様、例及びステップiii)に関して記載された反応条件は、ステップIII)に対して準用してもよい。

0090

グルコース又はマンノースからHMFに変換するためのステップ;すなわちステップiv)a)は、特別に、反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、グルコース及びマンノースを供することを含んでもよく、ここで前記反応媒体が、水相及び有機相を含み、及びここで前記水相が、塩を含む。この実施態様では、水相は、特別に、1‐9の範囲のpHを有してもよい。

0091

ステップIV)a)は、上記のステップiv)a)と類似であり、及び実施態様、例及び上のステップiv)a)に関して記載された反応条件は、ステップIV)a)に対して準用してもよい。

0092

ステップIV)b)は、上記のステップiv)b)と類似であり、及び実施態様、及びステップiv)b)に関して記載された反応条件は、ステップIV)b)に対して準用してもよい。

0093

他の実施態様では、本発明の第二方法は、以下のステップ:
A)反応媒体を含む反応槽中での処理工程に、フルクトース及びグルコースを含む組成物、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物を供すること、ここで前記反応媒体は水相及び有機相を含み、及び前記水相は塩を含み、
B)ステップA)における反応槽からグルコース又はマンノースを除去すること、及び
C)ステップB)で得たグルコース又はマンノースをグルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応によって以下:
a)ヒドロキシメチルフルフラール、又は
b)フルクトース
へ変換すること、
を含むHMFの製造方法に関する。

0094

ステップA)は、ステップi)の実施態様とよく似ているが全く同じではなく、ここで組成物は、グルコース及びフルクトースの両方、又はマンノース及びフルクトースの両方を含む。しかしながら、具体的な実施態様では、ステップA)における反応媒体の水相のpHは、1.0‐10の範囲である。更に、すべての実施態様、例及びステップi)の実施態様に関して記載された反応条件は、ここで組成物が、フルクトース及びグルコース、又はフルクトース及びマンノースを含み、ステップA)に対して準用してもよい。

0095

ステップB)は、上記のステップiii)と類似である。従って、実施態様、例及びステップiii)に関して記載された反応条件は、ステップB)に対して準用してもよい。

0096

ステップC)a)は、上記のステップiv)a)と類似であり、及び実施態様、例及びステップiv)a)に関して記載された反応条件は、ステップIV)a)に対して準用してもよい。

0097

ステップC)b)は、上記のステップiv)b)と類似であり、実施態様、例及びステップiv)b)に関して記載された反応条件は、ステップIV)b)に対して準用してもよい。これらの異なるステップを行うために有用な設備は、当業者に周知である。

0098

HMFの使用
上記の第一及び第二方法のいずれかにより製造されるHMFは、他の産物を得るために更に処理してもよい。そのような産物の例は、それらに限定されないが、2,5‐フランジカルボン酸(FDCA)、ジホルミルフランDFF)、ホルミルフランカルボン酸FFCA)及び2,5‐ジメチルフラン(DMF)を含む。

0099

上記処理工程のいずれかにより製造されたHMFは、2,5‐フランジカルボン酸、ジホルミルフラン(DFF)又はホルミルフランカルボン酸(FFCA)を製造するために、特別に酸化してもよい。従って、上記の方法のいずれかは、HMFから2,5‐フランジカルボン酸を得るために、更に酸化ステップを含んでもよい。

0100

HMFから2,5‐フランジカルボン酸を得るための適当な方法の例は、これらに限定されないが、米国特許第4,977,283号、及び米国特許第7,411,078号、及び米国特許出願公開第2008/0103318号を含む。

0101

米国特許第4,977,283は、白金族の少なくとも1の金属を含む触媒の存在下、酸素水性媒体中の5‐ヒドロキシメチルフルフラールの酸化を含む、5‐ヒドロキシメチルフルフラールの酸化のための処理工程を記載する。

0102

米国特許第7,411,078は、2,5‐フランジカルボン酸を製造するためにアルカリ環境下、金属過マンガン酸塩で、例えば5‐ヒドロキシメチルフルフラールの酸化を記載する。有利には、アルカリ環境は、少なくとも1のアルカリ金属水酸化物及びアルカリ土類金属水酸化物を含み、及び酸化は、1‐50℃までの温度で行われる。

0103

米国特許出願公開第2008/1003318号は、反応槽内に水を含む溶媒においてHMFを含む出発材料を提供することを含む、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)の酸化方法を記載する。少なくとも1の空気及びO2が、反応槽内に提供される。出発材料は、支持材料上にPtを含む触媒と接触し、ここで接触は、約50℃‐約200℃までの反応槽温度で行われる。

0104

従って、本発明のいずれかの方法は、更なるステップとして、上記のように、HMFを2,5‐フランジカルボン酸に酸化するための処理工程を含んでもよい。更に、本発明は、本発明による任意の方法により得られる産物に関する。

0105

組成物
本発明は、フルクトース及び/又はグルコースの脱水によるヒドロキシメチルフルフラールの製造に関する。本発明の方法は、異なる出発材料、すなわちフルクトースを含む組成物、グルコースを含む組成物、マンノースを含む組成物、グルコース及びフルクトースを含む組成物、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物を使用してもよい。これらの組成物が、共通の特定の特性を有してもよいように、以下で使用される用語「出発材料(starting material)」は、すべての組成物、すなわちフルクトースを含む組成物、グルコースを含む組成物、マンノースを含む組成物、フルクトース及びグルコースを含む組成物、及びフルクトース及びマンノースを含む組成物を指す。しばしばそのような工業的に製造される組成物は、グルコース及びフルクトースの両方、又はフルクトース及びマンノースの両方、又はさらにフルクトース、グルコース及びマンノースのすべてなどの異なるサッカライドを含むが、しかしながら、本発明は、グルコース、マンノース又はフルクトースのいずれかに関して精製された組成物も使用できるが、そのような組成物に限定されない。

0106

用語「組成物」は、本発明の文脈において、そのもっとも広範な文脈において理解すべきであるが、しかしながらそれは、一般的に水溶液であってもよい。

0107

本発明において、出発材料、すなわちフルクトースを含む組成物、グルコースを含む組成物、マンノースを含む組成物、グルコース及びフルクトースを含む組成物、及びマンノース及びフルクトースを含む組成物として使用される組成物は、典型的に、少なくとも計20w/w%グルコース、マンノース、及びフルクトースを含んでもよい。フルクトースを含む組成物、グルコースを含む組成物、及びグルコース及びフルクトースを含む組成物は、典型的に、計30‐90w/w%フルクトース及びグルコース、例えば40‐90w/w%フルクトース及びグルコース、又は計50‐90w/w%フルクトース及びグルコース、又は計60‐90w/w%フルクトース及びグルコース、又は計70‐90w/w%フルクトース及びグルコース、又は計80‐90w/w%フルクトース及びグルコースなどの、少なくとも計20w/w%グルコース及びフルクトースを含んでもよい。フルクトースを含む組成物、マンノースを含む組成物、及びフルクトース及びマンノースを含む組成物は、典型的に少なくとも20w/w%マンノース及びフルクトース、例えば、計30‐90w/w%フルクトース及びマンノース、例えば、40‐90w/w%フルクトース及びマンノース、又は計50‐90w/w%フルクトース及びマンノース、又は計60‐90w/w%フルクトース及びマンノース、又は計70‐90w/w%フルクトース及びマンノース、計80‐90w/w%フルクトース及びマンノースを含んでもよい。多くの場合において、本発明の方法で出発材料として使用される組成物が、天然原料から得られてもよいように、それらは、他のサッカライドを含むフルクトース及び/又はグルコース及び/又はマンノース以外の成分をまた含んでもよい。例えば、本発明の方法で出発材料として使用される組成物は、0‐10w/w%オリゴサッカライドを含んでもよい。

0108

出発材料の選択は、ある程度、本発明の方法におけるステップの組み合わせに影響を及ぼすかもしれない。更に、本発明の方法で使用されるグルコース、フルクトース、マンノース、フルクトース及びマンノース、又はグルコース及びフルクトースを含む組成物は、上記のように、フルクトース、グルコース、及びマンノース以外のサッカライドを含んでもよい。例えば、仮に組成物が、相対的に高い量のフルクトースを含むなら、フルクトースからHMFへの脱水処理工程、すなわち本発明の方法のステップi)、y)、II)およびA)のための出発材料として直接使用してもよい。本文脈において、「相対的に高い量のフルクトース(relative high amount of fructose)」は、典型的に、組成物中のサッカライドの全量の少なくとも40w/w%がフルクトース、又はフルクトースが、組成物中のサッカライドの全量の少なくとも40w/w%を構成する組成物であってもよい。

0109

従って、本発明のステップi)、y)、II)及びA)で使用される組成物、すなわちフルクトースを含む組成物、ステップI)から得られる組成物、フルクトース及びマンノースを含む組成物、及びグルコース及びフルクトースを含む組成物は、具体的な実施態様では、組成物中のサッカライドの全量の40‐100w/w%が、フルクトースである組成物であってもよい。より具体的に、サッカライドの全量の45‐100w/w%が、フルクトースであってもよく、又はサッカライドの全量の45‐95w/w%が、フルクトースであってもよく、又はサッカライドの全量の50‐95w/w%が、フルクトースであってもよい。

0110

フルクトースが、組成物中に存在するサッカライドの全量の40w/w%超を構成する組成物の例は、これらに限定されないが、HFCS(高フルクトースコーンシロップ)、転化糖、イヌリン、及びフルクトースに関して精製された組成物を含む。

0111

HFCSは、典型的に、サッカライドの全量の40‐60w/w%フルクトースを含む。更に、HFCSにおけるフルクトースとグルコースの比率は、典型的に、40:60及び60:40の間、例えば、44:56及び46:54の間、より具体的に、45:55の比率である。いくつかの場合において、HFCSにおけるフルクトースとグルコースの比率は、53:47‐59:41の範囲、40:60‐44:56の範囲であってもよい。

0112

転化糖シロップとしてまた知られる転化糖は、スクロースの加水分解により生じ、及び転化糖は、従って、典型的に、約48:52及び52:48の間の比率、例えば、49:51の間の比率、より具体的に50:50の比率でフルクトース及びグルコースを含む。従って、フルクトースは、典型的に、転化糖中のサッカライドの全量の48‐52w/w%を構成し、特にサッカライドの全量の49‐51w/w%がフルクトースであり、更により具体的に、サッカライドの全量の50w/w%が、フルクトースである。グルコースは、同様に、転化糖中のサッカライドの全量の48‐52w/w%を構成し、特に、転化糖中のサッカライドの全量の49‐51w/w%、更により具体的に、転化糖中のサッカライドの全量の50w/w%が、グルコースである。

0113

イヌリンは、αβ(2→1)グリコシド結合により結合したフルクトース単位を主に含み、及び典型的に末端グルコース単位を有するポリマーである。イヌリンの加水分解は、典型的に、サッカライドの全量の約90w/w%、例えば、85‐95w/w%の範囲についてフルクトースであり、及びサッカライドの全量の約10w/w%、例えば、5‐15w/w%の範囲についてグルコースである組成物を生じる。

0114

仮に一方では、グルコース又はマンノースの相対的に高い濃度、及びフルクトースの相対的に低い濃度を含む組成物が、本発明の方法における出発材料として使用されるなら、本発明のステップi),y)、II)及びA)の脱水処理工程においてそれを使用する前に、グルコース又はマンノースの量と比較して、フルクトースの量を増加するためのステップを含むことは、有利である。組成物中のフルクトースの量を増加するための方法は、上記のステップx)、I)、−i)及び−ii)を含むが、フルクトースの精製などの他の方法をまた含んでもよい。本文脈において、「グルコース及びマンノースの相対的に高い濃度(Relative high concentration of glucose or mannose)」は、サッカライドの全量の60‐100w/w%が、グルコース又はマンノース、例えば、サッカライドの全量の60‐95w/w%がグルコース又はマンノースである組成物を意味する。

0115

更に、本文脈において、用語「フルクトースの相対的に低い濃度(Relative low concentration of fructose)」は、フルクトースが、サッカライドの全量の40w/w%又は40w/w%未満を構成する、すなわちサッカライドの全量の0‐40w/w%が、フルクトースである組成物を意味する。

0116

高濃度のグルコース及び低濃度のフルクトースを含むそのような組成物の例は、それらに限定されないが、任意のスターチ原料、これらに限定されないが、コーン小麦、及びポテトから得られるグルコース、セルロース性バイオマス、例えば、ファイバー、ストーバ、小麦、又は藁から得られるグルコースを含む。グルコースは、当業者に公知の他のスターチ又はバイオマス原料から、また得てもよい。スターチから得られるグルコースは、典型的に、サッカライドの全量の約92‐98w/w%が、グルコースである組成物を生じる。

0117

グルコイソメラーゼにより触媒される酵素反応によりグルコースからフルクトースへの変換、例えば、本発明のステップ−i)、iv)b)、x)、I)、IV)b)及びC)b)は、サッカライドの全量の約43‐47w/w%が、フルクトースであり、及びサッカライドの全量の53‐57w/w%が、グルコースである組成物を典型的に生じる。従って、これらの組成物におけるフルクトースとグルコースの比率は、典型的に、43:57及び47:53の範囲、例えば、44:56及び46:54の範囲、又は約45:55である。

0118

高濃度のマンノース及び低濃度のフルクトースを含む組成物の例は、これらに限定されないが、パーム核粕を含む。

0119

マンノースは、具体的な実施態様では、マンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応、例えば、本発明のステップ−i)、iv)b)、x)、I)、IV)b)、及びC)b)によりフルクトースに変換されてもよい。

0120

反応媒体
ステップi)、y)、II)、A)、iv)a)、IV)a)、及びC)a)において、フルクトース、又はグルコース、又はマンノースのHMFへの変換処理工程は、水相及び有機相を含む反応媒体中で起こる。従って、本発明の反応媒体は、一般的に関連する成分の特質及び脱水処理工程に起因して水相であってもよい2相を含む。本発明の文脈において、用語「相(phase)」は、有機相中の水相の溶解度、及びその逆を指す。従って、本発明の文脈において、有機相中の水相の溶解度、及びその逆が、非常に低いので、反応媒体が、2つの区別できる相、すなわち水相、及び有機相を含むことができることを意味する。

0121

用語「水相(aqueous phase)」は、本文脈において、水相の溶媒が、主に水であることを意味する。この点において、「主に水」は、水相の溶媒の50‐100v/v%が水、例えば、水相の溶媒の55‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の60‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の65‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の70‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の75‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の80‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の85‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の90‐100v/v%が水、又は水相の溶媒の95‐100v/v%が水である。従って、本発明の反応媒体の水相は、特に50v/v%未満の他の溶媒、例えばDMSOを含む。従って、反応媒体の水相中の水以外に、DMSOを含む他の溶媒の量は、特に0‐50v/v%の範囲、より具体的に、0‐45v/v%の範囲、又は0‐40v/v%の範囲、又は0‐35v/v%の範囲、又は0‐30v/v%の範囲、又は0‐25v/v%の範囲、又は0‐20v/v%の範囲、又は0‐15v/v%の範囲、又は0‐10v/v%の範囲、又は0‐5v/v%の範囲であってもよい。

0122

ステップiv)b)、IV)b)、又はC)b)が、本発明の方法において存在する場合、他の溶媒が、これらのステップで使用されるグルコースイソメラーゼ及びマンノースイソメラーゼの機能性に影響を及ぼすかもしれないので、水相の溶媒が主に水であることは、特に関係がある。例えば、仮にDMSOが、存在するならば、グルコースイソメラーゼは、好ましく機能しない。微量のそのような所望しない溶媒は、もちろん存在してもよい。他の溶媒の量が、グルコースイソメラーゼ、又はマンノースイソメラーゼの機能性に顕著に影響を及ぼさないくらいそれが高くないことが、まさに有利である。グルコースイソメラーゼ又はマンノースイソメラーゼの機能性に顕著な影響を及ぼさずに存在しうる溶媒の量は、具体的な溶媒に依拠する。

0123

上記のように、本発明の発明者等は、塩が、フルクトースからHMFへの脱水を触媒することができることを驚くべきことに見出した。

0124

反応媒体の水相は、塩を含む。本発明の文脈において、用語「塩」は、産物が電気的に中性正味荷電なし)であるように、カチオン正電荷イオン)及びアニオン陰イオン)からなるイオン性化合物として理解されるべきである。これらの成分イオンは、無機の、例えば、塩化物(Cl-)、同様に有機の、例えば、酢酸塩(CH3COO-)、及び単原子イオン、例えば、フッ化物(F-)、同様に多原子イオン、例えば、硫酸塩(SO42-)、又は一価イオン、例えば、Na+、又は二価イオン、例えば、Mg2+でもよい。塩のいくつかの種類がある。水に溶解した場合、水酸化物イオンを生成する塩は、塩基性塩であり、及び水中でヒドロニウムイオンを生成する塩は、酸性塩である。中性塩は、酸性及び塩基性塩のいずれでもないものである。双性イオンは、同じ分子中にアニオン性センター及びカチオン性センターを含むが、塩とみなされない。例は、アミノ酸、多くの代謝物ペプチド及びタンパク質を含む。塩を水に溶解する場合、それらは、電解液と呼ばれ、融解された塩と共有される特性、電気を伝導することができる。水相において塩の存在は、水相中でのHMFの溶解度を低減し、それによって、水相及び有機相の間のHMFの平衡が、有機相に向かって変化する。これは、よりHMFの生成の方に、水相においてグルコース及び/又はフルクトースからHMFへの脱水処理工程の平衡について更に変化を生じる。

0125

水相中に存在する塩は、特に無機塩、例えば、これらに限定されないが、金属ハロゲン化合物金属硫酸塩金属硫化物金属リン酸塩金属硝酸塩金属酢酸塩金属亜硫酸塩及び金属炭酸塩からなる群から選択されてもよい。そのような塩の例は、これらに限定されないが、塩化ナトリウム(NaCl)、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、塩化マグネシウム(MgCl2)、塩化リチウム(LiCl)、塩化カリウム(KCl)、塩化カルシウム(CaCl2) 、塩化セシウム(CsCl)、硫酸ナトリウム(Na2SO4)、硫酸カリウム(K2SO4)、臭化リチウム(LiBr)、臭化ナトリウム(NaBr)、臭化カリウムKBr)、硝酸リチウム(LiNO3)、硝酸ナトリウム(NaNO3)、硝酸カリウム(KNO3)、及びヨウ化カリウムKI)を含む。塩は、特に金属ハロゲン化物、NaCl、MgCl2、LiCl、CaCl2、CsCl2、CsCl、LiBr、NaBr、KBr、又はKIであってもよい。

0126

塩の濃度は、塩の選択に依拠するかもしれないが、しかしながら、多くの又はほとんどの塩は、0.1‐30w/w%の範囲、例えば、0.5‐30w/w%の範囲で、又は、1‐30w/w%の範囲で、又は、0.1‐25w/w%の範囲で、又は、0.5‐25w/w%の範囲で、又は、1‐25w/w%の範囲で、又は、0.1‐20w/w%の範囲で、又は、0.5‐20w/w%の範囲で、又は、1‐20w/w%の範囲で、又は、0.5‐15w/w%の範囲で、又は、0.5‐10w/w%の範囲で、又は、0.5‐7.5w/w%の範囲で、又は、1‐10w/w%の範囲で、又は、1‐7.5w/w%の範囲で、又は、1‐5w/w%の範囲で、又は、2‐10w/w%の範囲で、又は、2‐7.5w/w%の範囲で、又は、2‐5w/w%の範囲であろう。本発明の発明者等は、弱酸、例えばホウ酸と塩の組み合わせにより、HMFの収率及びフルクトース変換が、さらにもっと増加することを示した。これは、実施例16‐19で示される。任意の理論に束縛されることなく、本発明の発明者等は、糖類(例えば、フルクトース又はグルコース)及び塩の組み合わせが、糖及び塩の存在なしよりも、より酸性に振舞うように、ホウ酸の酸性効果に影響を及ぼすかもしれないとの意見である。

0127

従って、具体的な実施態様では、水相は、弱酸を含む。本発明の文脈において、弱酸は、1又は1より高いpKa値を有する酸である(pKa(弱酸)≧1)。そのような酸の例は、ホウ酸(B(OH)3)を含む。水相中の弱酸の量、例えば、ホウ酸は、典型的に、0.1‐200g/Lの範囲、例えば、5‐200g/Lの範囲、又は10‐200g/Lの範囲、又は10‐150g/Lの範囲、25‐150g/Lの範囲、又は50‐150g/Lの範囲、又は50‐125g/Lの範囲、又は75‐125g/Lの範囲、例えば100g/Lであってもよい。

0128

反応媒体への弱酸、例えばホウ酸の添加は、強酸を触媒として使用する場合と同程度のpHを低減しない。従って、強酸の使用と比較して触媒として塩を使用する利点は、触媒として、塩及び弱酸の組み合わせ、例えばホウ酸を使用することに適用する。

0129

フルクトースからHMFへの脱水処理工程、すなわちステップi)、y)、II)及びA)のために、反応媒体の水相は、具体的な実施態様では、pH1.0‐10の範囲、例えば、pH1.5‐10の範囲、又はpH1.6‐10の範囲、又はpH1.7‐10の範囲、又はpH1.8‐10の範囲、又はpH1.9‐10の範囲、又はpH2.0‐10の範囲、又はpH2.1‐10の範囲、又はpH2.2‐10の範囲、又はpH2.3‐10の範囲、又はpH2.4‐10の範囲、又はpH2.5‐10の範囲、又はpH2.6‐10の範囲、又はpH2.7‐10の範囲、又はpH2.8‐10の範囲、又はpH2.9‐10の範囲、又はpH3‐10の範囲、又はpH3‐9の範囲、又はpH3.5‐9の範囲、又はpH3‐8の範囲、又はpH3.5‐8の範囲、又はpH4‐9の範囲、又はpH4‐8.5の範囲、又はpH4‐8の範囲、又はpH4.5‐10の範囲、又はpH4.5‐9の範囲、又はpH4.5‐8.5の範囲、又はpH4.5‐8の範囲、又はpH5‐10の範囲、又はpH5‐9の範囲、又はpH5‐8.5の範囲、又はpH5‐8の範囲、又はpH5.5‐10の範囲、又はpH5.5‐9の範囲、又はpH5.5‐8.5の範囲、又はpH5.5‐8の範囲、又はpH6‐10の範囲、又はpH6‐9の範囲、又はpH6‐8.5の範囲、又はpH6‐8の範囲を有してもよい。

0130

グルコースからHMFへの脱水処理工程、すなわち、ステップiv)a)、IV)a)及びC)a)のために、反応媒体の水相のpHは、特に、pH1‐9の範囲、例えば、pH1‐8の範囲、又はpH1‐7の範囲、又はpH1‐6の範囲、又はpH1‐5の範囲、又はpH1‐4の範囲、又はpH1.5‐8の範囲、又はpH1.5‐7の範囲、又はpH1.5‐6の範囲、又はpH1.5‐5の範囲、又はpH1.5‐4の範囲でもよい。

0131

グルコース及び/又はフルクトース及び/又はマンノースのHMFへの脱水は、主に反応媒体の水相で行い、及び処理工程は、副産物を生成するかもしれない。これらの副産物のいくつかは、酸性であり、及びそれらは、従って、グルコース及び/又はフルクトース及び/又はマンノースのHMFへの脱水中、水相のpHが、低下する原因であるかもしれない。従って、本発明の文脈において、反応媒体の水相のpH範囲は、ステップi)、iv)a)、II)、IV)a)、A及びC)b)における脱水処理工程のt0を指す。従ってそれは、すべての成分が存在するが、フルクトース又はグルコース又はマンノースのHMFへの任意の実際の脱水が起こる前の時点での、反応媒体の水相のpHである。例えば、仮に本発明の方法が、工業規模上で連続処理工程として運伝されるなら、フルクトース、グルコース、マンノース、フルクトース及びグルコース、又はフルクトース及びマンノースを含む組成物のpHは、酸性触媒を、反応媒体に添加しない場合、t0で反応媒体の水相のpHと同じであってもよい。例えば、仮にフルクトースからHMFへの脱水、すなわちステップi)、y)、II)及びA)において使用される出発材料、すなわちフルクトース、フルクトース及びマンノース、又はフルクトース及びグルコースを含む組成物が、例えば、ステップ−i)、iv)b)、x)、I)、IV)b)又はC)b)において、グルコースイソメラーゼ、又はマンノースイソメラーゼにより触媒される酵素反応により、グルコースのフルクトースへの変換、又はマンノースのフルクトースへの変換から得られるなら、この変換から得られる組成物のpHは、典型的に6.5‐7.5の範囲である。グルコースイソメラーゼは、現在、グルコースイソメラーゼが、固定化されたカラムとして量産化で使用されるので、これは、グルコースイソメラーゼを脱離する組成物のpHが、一般的に6.5‐7.5の範囲でもよいことを意味する。ステップi),y)、II)又はA)における脱水処理工程に入る前に、もちろん、この組成物のpHを調節してもよい。

0132

代替的な実施態様では、フルクトースからHMFへの脱水処理工程、すなわちステップi)、y)、II)及びA)のための反応媒体の水相は、酸性触媒を含まず、又は強酸を含まない。本文脈において、「酸性触媒を含まない(does not contain an acidic catalyst)」は、反応媒体に酸性触媒を添加しないことを意味する。「酸性触媒」は、特に、5未満のpKa値、例えば、4未満のpKa値、又は3未満のpKa値、又は2未満のpKa値、又は1‐5の間pKa値、例えば、1‐4の間、又は1‐3の間、又は1‐2の間、又は1‐1.5の間、又は2‐4の間、例えば、2‐3の間、2.5‐3.5の間、又は1.5‐4の間、例えば、1.5‐3の間、又は1.5‐2.5の間、又は3‐5の間、例えば、3.5‐4.5の間、又は3‐4の間、又は4‐5の間を有する酸であってもよい。「酸性触媒」は、特に「強酸(strong acid)」であってもよく、ここで、強酸は、1未満のpKa値を有する酸である。用語「強酸を含まない(does not comprise a strong acid)」は、1未満のpKa値を有する酸が、反応媒体に添加されないことを意味し、すなわち、「強酸」は、本発明の文脈において、1より低いpKa値を有する酸(pKa(強酸)<1)として理解されるべきである。それは、脱水処理工程の副産物として形成されるかもしれない酸性化合物の存在を排除しない。そのような酸性触媒の例は、これらに限定されないが、無機酸、例えば、HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4、スルホン酸、スルホン酸樹脂、ゼオライト、酸官能化モービル組成物材料(MCM’s)、硫酸化ジルコニア、ヘテロポリ酸、NbOPO4、リン酸バナジウムなどのリン酸塩、固体シリカ‐及びシリカ‐アルミナ、ブレンステッド又はルイス酸触媒が挙げられる。本発明の発明者等は、水相中に存在する塩が、これまで使用されてきた酸性触媒などの他の触媒の使用を不要にする、フルクトースからHMFへの脱水のための触媒として機能できることを驚くべきことに見出した。

0133

従って、具体的な実施態様では、本発明のステップi)、y)、II)及びA)における反応媒体の水相は、酸性触媒を含まず、又は強酸を含まない。

0134

本発明の発明者等は、フルクトースからHMFへの脱水のために酸触媒を使用する必要がないことを見出したが、そのような触媒が、例えば少量、反応物の水相中に更に存在してもよい。従って、上記の触媒のいずれかが、反応媒体の水相中に存在してもよい。

0135

更に、グルコースからHMF、又はマンノースからHMFへの脱水処理工程、すなわち、ステップiv)a),IV)a)及びC)a)のために、所望しない副産物の生成を最小限に抑えるために、例えばAlCl3などの酸性触媒を含むことが、また有利であるかもしれない。フルクトース、マンノース及びグルコースそれぞれからHMFへの脱水のための最適な反応条件は、同じではない。

0136

反応媒体は、有機相をまた含む。反応媒体の有機相は、有機溶媒及び場合により他の成分を含む。適当な有機溶媒は、好ましくは、反応媒体の水相と非混和性であり、及び室温(25℃)又はより高温で、HMFを可溶化することができる溶媒である。より好ましくは、有機相は、水相から有機相中にHMFが抽出されるように、水相におけるHMFの溶解度よりも高いHMFの溶解度を有する溶媒である。

0137

従って、有機溶媒及び/又は有機相は、HMFに関して水相及び有機相分配係数が、少なくとも0.8、例えば、少なくとも0.9、又は少なくとも1.0、又は少なくとも1.1、又は少なくとも1.2、又は少なくとも1.3、又は少なくとも1.4、又は少なくとも1.5、例えば少なくとも2であるように、特に選択されてもよく、ここで、分配係数は、室温、例えば、20‐25℃の間、すなわち20℃、21℃、22℃、23℃、24℃又は25℃及び1気圧標準大気圧)で決定される。

0138

そのような有機溶媒の例は、これらに限定されないが、特に、アルコール類ケトン類塩化アルカン類エーテル類、酢酸塩類、又はそれらの組み合わせを含む。

0139

具体的な実施態様では、有機溶媒は、メチルイソブチルケトンMIBK)、テトラヒドロフラン(THF)、2‐BuOH(2‐ブタノール)又はこれらの有機溶媒の2又は3以上の任意の組み合わせでもよい。有機溶媒の組み合わせは、例えば、MIBK及び2‐BuOH、例えば、5:5及び9:1の間のMIBK:2‐BuOHの比率、より具体的に、7:3のMIBK:2‐BuOHの比率であってもよい。THFは、水相からHMFを抽出するためによいことが示され、及び所望しない副産物の量が、他の有機溶媒が使用された場合と比較して、また減少される。

0140

他の有用な有機溶媒の例は、これらに限定されないが、低分子量アルコール、例えば、フーゼルオイルイソアミルアルコールブタノール又はイソペンチルアルコール、直鎖又は分岐アルコール、例えば、ペンタノール、tert‐ブチルアルコール、又は1‐ブタノール、直鎖又は分岐アルカノン、例えばブタノンペンタノンヘキサノンヘプタノンジイソブチルケトン、3‐メチル‐2‐ブタノン、又は5‐メチル‐3‐ヘプタノンシクロアルカノン類、例えば、シクロブタノンシクロペンタノン、又はシクロヘキサノンが挙げられる。有機溶媒の他の例は、これらに限定されないが、ニトリル類、例えば、ベンゾニトリル脂肪族及び脂環式エーテル、例えば、ジクロロエチルエーテル、又はジメチルエーテル飽和及び不飽和脂肪族又は芳香族炭化水素、例えば、フラン、又はニトロアルカン類、例えば、ニトロメタン、又はニトロプロパン、及びハロゲン化アルカン類、例えば、ジクロロメタン(DCM),クロロメタントリクロロメタン、又はトリクロロエタンが挙げられる。

0141

水相の体積と有機相の体積の比率は、具体的な実施態様では、1:0.1‐1:100(水相:有機相、又はaq:org)の範囲であってもよい。上記のように、仮にHMFの溶解度が、反応媒体の水相中よりも有機相中のほうが大きければ、有利である。これは、HMFに関して水相及び有機相の分配係数と呼ばれるパラメータにより記載されてもよい。具体的な実施態様では、HMFに関して水相及び有機相のための分配係数は、少なくとも0.8、例えば少なくとも0.9、又は少なくとも1.0、又は少なくとも1.1、又は少なくとも1.2、又は少なくとも1.3、又は少なくとも1.4、又は少なくとも1.5、例えば、少なくとも2であり、ここで分配係数は、室温、例えば20‐25℃、すなわち20℃、21℃、22℃、23℃、24℃又は25℃及び1気圧(標準大気圧)で決定される。

0142

以下の実施例において、HMFの収率は、HMFに変換された糖類のパーセンテージ、すなわち(HMFのモル/反応に添加した糖類のモル)×100%を指す。選択性は、HMFに変換された変換糖類のパーセンテージ、すなわち(HMFのモル/変換糖類のモル)×100%を指し、そしてそれは、(%HMF収率/%変換糖類)×100%としても計算できる。

0143

実施例1:フルクトースからフルクトース/グルコース混合物の選択的脱水
171g/Lグルコース、123g/Lフルクトース、245g/L塩化ナトリウム、及び0.36g/L塩化水素の水溶液2.5mlを、MIBK 10mlに添加し、及び25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、1時間、窒素雰囲気下、攪拌した。産物の有機相及び水相を、HPLC高圧液体クロマトグラフィー)により分析し、導入したグルコース及びフルクトースの49%を変換し、導入したグルコースの87%が未変換で残ったことを示した。HMFの収率は、33%であり、68%の選択性に相当した。

0144

HPLCの条件は、以下:
機器:Agilent1200(真空デガッサ、バイナリポンプオートサンプラー、カラムヒーター多波長UV/VIS検出器屈折率検出器
カラム=Aminex HPX‐87H(Biorad,Hercules,CA);300×7.8mm+同じ材料のガードカラム
流速=0.6ml/分
溶媒=0.005M H2SO4
温度=60℃
分析時間=50分
であった。

0145

実施例2:塩化アルミニウムを伴うグルコースからHMFへの脱水
245g/L塩化ナトリウム、294g/Lグルコース、及び1.31g/L塩化アルミニウムの水溶液2.5mlを、MIBK 10mlに添加し、及び25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、2.5時間、窒素雰囲気下、攪拌した。産物の有機相及び水相を、HPLCにより分析し、グルコースの85%を変換したことを示した。HMFの収率は、51%であり、60%の選択性に相当した。

0146

実施例3:溶媒交換を有する、フルクトース/グルコース混合物の2ステップ脱水
245g/L塩化ナトリウム、171g/Lグルコース、123g/Lフルクトース、及び0.36g/L塩化水素の水溶液2.5mlを、MIBK 10mlに添加し、及び25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、1時間、窒素雰囲気下、攪拌した。反応混合物を、冷却し、及び有機相を回収した。水相に、MIBK 10ml及び0.5M塩化アルミニウムの水溶液 50μlを添加した。混合物を、25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、2‐4時間、窒素雰囲気下、攪拌した。水相及び有機相を、HPLCで分析した。結果を表1に示す。

0147

0148

実施例4:溶媒交換を有しない、フルクトース/グルコース混合物の2ステップ脱水
245g/L塩化ナトリウム、171g/Lグルコース、123g/Lフルクトース、及び0.36g/L塩化水素の水溶液2.5mlを、MIBK 10mlに添加し、及び25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、1時間、窒素雰囲気下、攪拌した。反応混合物を、冷却し、及び0.5M塩化アルミニウムの水溶液 50μlを添加した。混合物を、25mlの密閉されたガラス反応管中で、140℃、2‐4時間、窒素雰囲気下、攪拌した。水相及び有機相を、HPLCで分析した。結果を表2に示す。

0149

0150

実施例5:NaCl添加を有する2相性の水/MIBK反応槽における、160℃での、フルクトースからHMFの合成及び抽出
20%(wt/wt)フルクトースを含むサンプル水相溶液3mlを、15ml反応槽内に注入した。NaCl濃度を50g/Lにするために、NaClを添加し、続いて有機HMF抽出相として、MIBK 12mlを添加した。反応混合物を、160℃に加熱し、及び120分間運転し、ここでサンプルを取得後、HPLCにより分析した。

0151

HMF収率は75%、選択性は79%、及びフルクトース変換は94%であった。同じ条件であるが、NaClの添加を有しない場合は、HMF収率は39%、選択性は86%、及びフルクトース変換は46%という結果であった。

0152

実施例6:NaCl添加を有する2相性の水/MIBK反応槽における、160℃での、フルクトースからHMFの合成及び抽出
20%(wt/wt)フルクトースを含むサンプル水相溶液3mlを、15ml反応槽内に注入した。NaCl 0.2gを、水相に添加した。

0153

硫酸化ジルコニア触媒5mgを、その後、水相反応混合物に添加し、続いて、有機HFM抽出相としてMIBK 12mlを添加した。反応混合物を、160℃に加熱し、及び240分間運転し、ここでサンプルを取得後、HPLCにより分析した。HMF収率は68%であり、及び選択性は70%であった。

0154

実施例7:150℃での、グルコース/フルクトース混合物を伴うHMFの合成
10wt%グルコース及び10wt%フルクトースを含む水溶液(3ml、0.0022モルグルコース、0.0023モル フルクトース)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せた。固体NaCl(150mg、0.0026モル)を、水相に溶解し、続いて抽出溶媒としてMIBK(12ml)を添加した。安定した圧力管を密閉し、及び150℃で2時間加熱し、及びその後、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。HPLCの結果は、グルコースから84%グルコース、0.0019モル;フルクトースから44%フルクトース、0.0010モル;フルクトースから33%HMF、0.0008モル;33%全糖変換;59%のフルクトースからHMF選択性を示した。

0155

実施例8:160℃での、グルコース/フルクトース混合物を伴うHMFの合成
10wt%グルコース、及び10wt%フルクトースを含む水溶液(3ml、0.0022モルグルコース、0.0023モル フルクトース)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せた。固体NaCl(150mg、0.0026モル)を、水相に溶解し、続いて抽出溶媒としてMIBK(12ml)を添加した。安定した圧力管を密閉し、及び160℃で105分間加熱し、及びその後、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。HPLCの結果は、グルコースから80%グルコース、0.0018モル;フルクトースから4%フルクトース、9.5×10-5モル;フルクトースから64%HMF、0.0015モル;59%全糖変換;67%のフルクトースからHMF選択性を示した。

0156

実施例9:150℃での、グルコースを伴うHMFの合成(対照)
10wt%グルコースを含む水溶液(3ml、0.0022モル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せた。固体NaCl(150mg、0.0026モル)を、水相に溶解し、続いて抽出溶媒としてMIBK(12ml)を添加した。安定した圧力管を密閉し、及び150℃で2時間加熱し、及びその後、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。HPLCの結果は、95‐97%グルコース、0.0021‐0.0022モル;2%HMF、4.5×10-5モル;3‐5%全糖変換を示した。

0157

実施例10:150℃での、フルクトースを伴うHMFの合成(対照)
10wt%フルクトースを含む水溶液(3ml、0.0019モル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せた。固体NaCl(150mg、0.0026モル)を、水相に溶解し、続いて抽出溶媒としてMIBK(12ml)を添加した。安定した圧力管を密閉し、及び150℃で2時間加熱し、及びその後、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。HPLCの結果は、61%フルクトース、0.0012モル;29%HMF、0.005モル;39%全糖変換;73%のフルクトースからHMF選択性を示した。

0158

グルコース/フルクトース混合物のための予測及び近似
グルコース及びフルクトースの収率を、サンプル中にそれぞれ存在する最初の量に従って算出した。これによって、グルコース及びフルクトースの相互変換を、無視した。HMF収率を、フルクトースのみに基づいて算出した。それによって、グルコースから生じる少量を、無視した。ギ酸及びレブリン酸の量は、HPLC装置の検出限界以下であった。フルクトース及びグルコースの変換は、別々に、例えば100%フルクトース変換約50%全糖変換のように、全糖変換ということにならないことに留意する。HMF選択性を、上の前提に起因して、フルクトース変換に基づいて算出した。マスバランスを完成するために残っている産物を検出しなかったが、グルコース、フルクトース、HMF、及びこれらの組み合わせの、可溶性及び不溶性、可逆性及び不可逆性二量体三量体及びポリマーを含む可能性がある。

0159

実施例11:様々な塩の効果
一般的に、30wt%フルクトースを含む水溶液(3ml、0.0058モル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せた。様々な固体の塩(0.0026モル)を、水相に溶解し、続いて抽出溶媒としてMIBK(12ml)を添加した。安定した圧力管を密閉し、及び160℃で2時間加熱し、及びその後、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。結果を、以下の表3及び図2において示す。

0160

HMF収率に関して最も良い結果を、KClで得た(98%フルクトース変換、70%HMF収率、72%のHMF選択性)。HMF選択性に関して最も良い結果を、KBrで得た(87%フルクトース変換、64%HMF収率、74%のHMF選択性)。

0161

0162

0163

調査した塩
Mg含有量についてMgCl2、塩化物含有量についてMgCl2、NaCl、LiCl、KCl、硫酸塩含有量についてNa2SO4、硫酸塩含有量についてK2SO4、LiBr、NaBr、KBr、LiNO3、NaNO3、KNO3、KIを調べた。

0164

実施例12:高塩濃度でのグルコースイソメラーゼ能力
すべてのカラムのための標準手順
3gの固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))を、60℃に加熱した実験室規模のカラム中に負荷し、及び50g/時間の基質流速を適用した。基質は、1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/L NaS2O5を含む、通常の45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液、又は相対的に高い濃度の塩を、特定の期間後、添加した修飾45w/w%グルコースシロップのいずれかであった。サンプルを、HPLC分析用に定期的に採取し、及び酵素活性を、以下の方程式に従って算出した(Jorgensen,O.B.,et al.,Starch‐Starke,1988.40(8),307−313)。

0165

0166

ここで以下:
A:固定化酵素比活性マイクロモル/分/g酵素)(IGIU/g:固定化グルコースイソメラーゼユニット/g)、
0.926:ユニット変換係数
Fw:シロップの流速(g/h)、
w:酵素量(g)、
DP1:乾燥物質でのインレット%(グルコース+フルクトース)(分析条件では100)、
DS:乾燥物質含量(%)、
X:変換=アウトレット%フルクトース/DP1、
Xi:インレット%フルクトース/DP1、及び
Xe:平衡でのX(60℃で0.51)
である。
DP1、Xi、及びXeを、以下の値:
DP1:99.7、
Xi:0、及び
Xe:0.5078
で一定と仮定した。

0167

以下の塩条件を、6カラムに適用した。
カラム1:
1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/L NaS2O5を含む、通常の45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図3で活性の経過を図示する。

0168

カラム2:
塩化ナトリウム(NaCl)を、50g/L又は0.86M NaClの最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(カラム1のように)。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図4で活性の経過を図示する。

0169

カラム3:
塩化マグネシウム6水和物を、塩化物(86.97g/L MgCl2・6H2O)に関して40.9g/L又は0.86MのMgCl2の最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(カラム1のように)。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図5で活性の経過を図示する。

0170

カラム4:
塩化カリウムを、63.78g/L又は0.86M KClの最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(カラム1のように)。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図6で活性の経過を図示する。

0171

カラム5:
硫酸ナトリウム10水和物(Na2SO4・10H2O)を、ナトリウムについて61.08g/L又は0.86M Na2SO4の最終濃度(137.82g/L Na2SO4・10H2O)を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図7で活性の経過を図示する。

0172

カラム6:
硫酸マグネシウム(MgSO4)を、102.98g/L又は0.86M MgSO4の最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(カラム1のように)。主要な能力の結果を表4に示し、及び活性の結果を表5に示し、及び図8で活性の経過を図示する。

0173

0174

結論として、Sweetzyme(商標)は、NaCl、KCl及びNa2SO4の存在下、よい安定性を示す。

0175

0176

0177

実施例13:Sweetzyme(商標)の初期活性へのHMFの影響
Sweetzyme(商標)の初期活性への5‐ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)の影響を明らかにするために、HMFのさまざまな量を有する多数のバッチ実験を行った。

0178

標準手順:
固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標))2.5gを、スクリューキャップを有する250ml正方形ボトルに負荷した。ボトルを、オービタルシェーカーに取り付け、及び60℃に加熱した。基質は、1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/L NaS2O5を含む、通常の45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液、又はHMFを添加した修飾45w/w%グルコースシロップのいずれかであった。サンプルを定期的に、HPLC分析用に採取し、及び酵素活性を算出した。

0179

以下の条件を、4つのボトルに適用した。用語「変換(conversion)」を、フルクトース/グルコース比率として定義する。

0180

ボトル1:
1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/L NaS2O5を含む、通常の45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液。変換対時間を図9に示し、及び初期活性を392として算出する。

0181

ボトル2:
HMFを、0.01w/w%のHMFの最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(ボトル1のように)。変換対時間を図10に示し、及び初期活性を389として算出する。

0182

ボトル3:
HMFを、0.1w/w%のHMFの最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(ボトル1のように)。変換対時間を図11に示し、及び初期活性を378として算出する。

0183

ボトル4:
HMFを、1w/w%のHMFの最終濃度を与えるために、標準45%グルコースシロップ中に混合した(ボトル1のように)。変換対時間を図12に示し、及び初期活性を364として算出する。

0184

図13は、HMF濃度の関数として、Sweetzyme(商標)活性を示し、及び活性は、HMFの存在により、深刻な影響を受けないと考えられる。

0185

実施例14:NaCl及びMIBKを含む基質を有するグルコースイソメラーゼ能力
固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標)) 3.44gを、カラム中に負荷し、60℃に加熱し、及び50g/時間の基質流速を適用した。基質は、1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/l NaS2O5を含む、45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液であった。基質に、50g/Lの最終濃度になるようにNaClを添加し、及びMIBKで基質を飽和するのに十分であるMIBK/Lグルコース基質約20mlを添加した。

0186

サンプルを定期的に、HPLC分析用に採取し、及び酵素活性を以下の方程式に従って算出し、及び結果を以下の表6に示す(Jorgensen,O.B.,et al.,Starch‐Starke,1988.40(8),307‐313)。

0187

0188

ここで以下:
A:固定化酵素の比活性(マイクロモル/分/g酵素)(IGIU/g:固定化グルコースイソメラーゼユニット/g)、
0.926:ユニット変換係数、
Fw:シロップの流速(g/h)、
w:酵素量(g)、
DP1:乾燥物質でのインレット%(グルコース+フルクトース)(分析条件では100)、
DS:乾燥物質含量(%)、
X:変換=アウトレット%フルクトース/DP1、
Xi:インレット%フルクトース/DP1、及び
Xe:平衡でのX(60℃で0.51)
である。
DP1、Xi、及びXeを、以下の値:
DP1:99.7、
Xi:0、及び
Xe:0.5078
で一定と仮定した。

0189

0190

NaCl及びMIBKを含む基質で9日後、減衰率は、通常のシロップを有するカラムと比較して影響を受けない。

0191

実施例15:ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を含む基質を有するグルコースイソメラーゼ能力
固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme(商標)) 3.11gを、カラム中に負荷し、60℃に加熱し、及び50g/時間の基質流速を適用した。基質は、1g/L MgSO4・7H2O及び0.18g/L NaS2O5を含む、45w/w%滅菌ろ過グルコース溶液であった。基質に、0.1w/w%HMFの最終濃度になるように、ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)を添加した。

0192

サンプルを定期的に、HPLC分析用に採取し、及び酵素活性を以下の方程式に従って算出し、及び結果を以下の表7に示す(Jorgensen,O.B.,Starch‐Starke,1988.40(8),307‐313)。

0193

0194

ここで以下:
A:固定化酵素の比活性(マイクロモル/分/g酵素)(IGIU/g:固定化グルコースイソメラーゼユニット/g)、
0.926:ユニット変換係数、
Fw:シロップの流速(g/h)、
w:酵素量(g)、
DP1:乾燥物質でのインレット%(グルコース+フルクトース)(分析条件では100)、
DS:乾燥物質含量(%)、
X:変換=アウトレット%フルクトース/DP1、
Xi:インレット%フルクトース/DP1、及び
Xe:平衡でのX(60℃で0.51)
である。
DP1、Xi、及びXeを、以下の値:
DP1:99.7、
Xi:0、及び
Xe:0.5078
で一定と仮定した。

0195

0196

HMFを含む基質で9日後、減衰率は、通常のシロップを有するカラムと比較して影響を受けなかった。

0197

実施例16:触媒としてのNaCl及びホウ酸の組み合わせの使用
30wt/%フルクトースを含む水溶液(3ml、5.7ミリモル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せ、及び固体B(OH)3(0.3g、5ミリモル)及び/又は固体NaCl(0.15g、3ミリモル)を、溶液に添加した。4:1の有機:水性体積比を得るように、抽出溶媒としてMIBKを添加した。反応混合物を有する管を、150℃で、磁気攪拌下(420rpm)、特定の時間、予熱したオイルバスに置いた(安定なオイルバス温度に到達した後、反応時間を測定した)。反応後、管をオイルバスから取り除き、及び分析用にサンプルを採取する前に、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。結果を、以下の表8に示す。

0198

0199

実施例17:ホウ酸を伴う異なる塩の効果
実施例16において記載のものと同様の実験を、ホウ酸と組み合わせて異なる塩を使用して行った。

0200

30wt/%フルクトースを含む水溶液(3ml、5.7ミリモル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せ、及び固体B(OH)3(0.3g、5ミリモル)及び/又は固体の塩(アニオンについて3ミリモル)を、溶液に添加した。4:1の有機:水性体積比を得るように、抽出溶媒としてMIBKを添加した。反応混合物を有する管を、150℃で、磁気攪拌下(420rpm)、45分間、予熱したオイルバスに置いた(安定なオイルバス温度に到達した後、反応時間を測定した)。反応後、管をオイルバスから取り除き、及び分析用にサンプルを採取する前に、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。結果を、以下の表9に示す。

0201

表9で示されるR値は、MIBK相及び水相の間、すなわち[HMF]MIBK/[HMF]aqで得られるHMF分配である。

0202

0203

実施例18:異なる有機抽出溶媒を有する触媒としての塩及びホウ酸
実施例16において記載のものと同様の実験を、異なる有機抽出溶媒で行った。

0204

30wt/%フルクトースを含む水溶液(3ml、5.7ミリモル)を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せ、及び固体B(OH)3(0.3g、5ミリモル)及び/又はNaCl(0.15g、3ミリモル)を、溶液に添加した。4:1の有機:水性体積比を生じるように、異なる有機抽出溶媒を添加した。反応混合物を有する管を、150℃で、磁気攪拌下(420rpm)、特定の時間、予熱したオイルバスに置いた(安定なオイルバス温度に到達した後、反応時間を測定した)。反応後、管をオイルバスから取り除き、及び分析用にサンプルを採取する前に、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。結果を、以下の表10に示す。

0205

表10で示されるR値は、MIBK相及び水相の間で得られるHMF分配、すなわち[HMF]MIBK/[HMF]aqである。

0206

0207

実施例19:触媒としてNaCl及びホウ酸でグルコース及びスクロースのHMFへの脱水
グルコース及びスクロースを、HMFに脱水するための基質として使用した以外、実施例16において記載のものと同様の実験を行った。

0208

30wt/%グルコース(3ml、5.7ミリモル)又はスクロース(3ml、6.0ミリモル)を含む水溶液を、エースバイアル圧力管(Ace vial pressure tube)(約20Barまで安定)中に載せ、及び基質としてグルコースを有し触媒を含まない、すなわちB(OH)3及びNaClを含まないいくつかの実験を除いて、固体B(OH)3(0.3g、5ミリモル)及びNaCl(0.15g、3ミリモル)を添加した。4:1の有機:水性体積比を生じる量で、有機抽出溶媒としてMIBKを添加した。反応混合物を有する管を、特定の期間に対して、150℃で、磁気攪拌下(420rpm)、特定の時間、予熱したオイルバスに置いた(安定なオイルバス温度に到達した後、反応時間を測定した)。反応後、管をオイルバスから取り除き、及び分析用にサンプルを採取する前に、室温に冷却した。反応混合物のサンプルを採取し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、内部標準(i‐PrOH)と混合し、及びHPLCを介して分析した。基質としてグルコース及びスクロースを有する結果を、以下の表11及び12に、それぞれ示す。基質としてスクロースを有する(データを表12に示す)算出されたHMF選択性は、生成されたHMFのすべてが、スクロースにおけるフルクトースの変換に由来するという仮定に基づく。

0209

0210

0211

実施例20:連続反応槽における、触媒としてNaClを有するフルクトースからHMFへの脱水
グルコース及びフルクトースのHMFへの連続脱水用の実験室規模のミニプラントを、図14で示すように組み立てた。

0212

反応条件を表13に示す。反応後、サンプルを水相から採取する前に、反応混合物を室温に冷却し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、及びHPLCを介して分析した。

0213

フルクトース変換、HMF収率、及びHMF選択性(HMF収率/フルクトース変換)のデータを、表13にまた示す。結果は、高収率及び選択性を高温(200℃)で維持し、及び高温が反応時間を低減することを示す。

0214

0215

実施例21:連続反応槽における、触媒としてNaClを有するフルクトース及びグルコース混合物からHMFへの脱水
図14における実験室規模ミニプラントを、実施例20においてまた使用した5%NaCl及びMIBK 4:1の溶媒比を有する実験のために使用した。

0216

以下の2つの基質:
インレット100%グルコースを有する固定化グルコースイソメラーゼ(Sweetzyme)を含む実験カラムのアウトレットから得たHFCS39(61%グルコース及び39%フルクトース)、及び
純粋なグルコース及びフルクトース基質から混合されたHFCS42(58%グルコース及び42%フルクトース)
を使用した。基質の濃度は、すべての実験において、300g/Lであった。

0217

反応条件を、表14に示す。反応後、サンプルを水相から採取する前に、産物タンクを室温に冷却し、及びシリンジろ過(0.45μmPTFE)を通してろ過し、及びHPLCを介して分析した。

0218

フルクトース及びグルコース変換、HMF収率、及びHMF選択性(HMF収率/(フルクトース+グルコース変換))のデータを、表14にまた示す。

0219

結果は、選択性が、実施例20における純粋なフルクトース基質に関してよりも低いことを示す。これは、選択性をHMF並びに全グルコース及びフルクトース変換の比率として算出するからである。仮にグルコースの大部分が、未反応のままであることを考慮した場合、選択性は、実施例20と同様であろう。

0220

結果は、高収率を高温(200℃)で維持し、及び高温が反応時間を低減することを、実施例20のように示す。

実施例

0221

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